【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及连续浇铸成型，尤其涉及一种提高连铸结晶器内腔锥度设计精度的方法。
技术介绍
1、作为连铸机“心脏”的结晶器，其传热能力对连铸机的生产效率以及最终的铸坯质量起着决定性作用。在诸多影响连铸结晶器传热的因素中，例如冷却水、铜板结构、操作条件和内腔锥度等，结晶器内腔锥度设计是最重要的。连铸过程中，经浸入式水口注入结晶器内腔中的钢液受到强制水冷结晶器的冷却作用，从弯月面开始逐渐凝固直至结晶器出口形成具有一定厚度的坯壳。而伴随在钢液凝固成坯壳的过程中凝固铸坯的收缩变形将同时发生，继而造成凝固坯壳表面与结晶铜板热面因分离而产生气隙，特别是在结晶器的中下部和角部，其厚度沿拉坯方向会持续增大。由于气隙本身的导热能力很弱，因此，结晶器内存在气隙时将显著降低其的传热能力，进而造成凝固铸坯温度分布和坯壳厚度的不均性，体现在最终的产品时将出现铸坯表面和亚表面裂纹、纵裂纹等质量缺陷，严重时甚至会发生漏钢事故。为了消除结晶器内的气隙进而提高其传热能力，将结晶器内腔设计成倒锥度以弥补凝固铸坯收缩后出现的缝隙是最行之有效的手段。
2、结晶器倒锥度是结晶器最重要的参数，理想的结晶器内腔锥度应尽可能保持新生坯壳贴合结晶器内壁面，既要避免产生气隙，同时还要减少铸坯与结晶器壁面的摩擦阻力。因为结晶器锥度过小时，结晶器内壁面对新生坯壳的支撑力不够，无法消除铸坯凝固收缩形成的气隙，这些容易使得铸坯出现菱变、纵向裂纹等缺陷；而当结晶器倒锥度过大时，铸坯与壁面的摩擦力也将随之变大，会对结晶器造成较大的损坏，降低其使用寿命，而且铸坯容易出现横裂纹、网状裂
3、鉴于此，针对板坯、方坯、圆坯等连铸结晶器提升其内腔锥度的设计精度，成为保证连铸坯高质量生产的必要条件。目前，关于结晶器内腔锥度的设计方法主要包含有：
4、1)经验法。具体为，根据实际钢厂连铸机断面尺寸、钢种、拉速、过热度等工艺参数凭借各自已有的生产经验预先确定一个简单锥度，并按此生产，之后对相应产品质量进行分析，据此分析结果反馈信息再来对结晶器锥度进行调整，直至获得满足要求的结晶器内腔锥度。此种设计方案高度依赖生产经验，且过程繁琐、设计周期过长、相关成本大幅增加。2)理论公式推导。所依据的理论公式是凝固平方根定律，即先通过相关手段(如射钉法)获得铸坯凝固系数，在此前提下，利用均方根公式计算出沿拉坯方向的铸坯厚度，然后再用碳含量与凝固收缩、相变收缩、液态钢在降温时的收缩以及固态在降温时的收缩的关系，计算得到铸坯横断面的总收缩，进而获得沿拉坯方向的联系锥度曲线。此种锥度确定方法存在最大弊端在于整个结晶器锥度是统一的，其无法体现出沿结晶器周向锥度的变化性，最终导致铸坯无法和结晶器内壁充分贴合；还有该方案没有考虑连铸结晶器铜板/铜管变形对锥度确定的影响，这是高精度结晶器锥度设计的重要影响因素之一。3)数值仿真发。建立铸坯的二维切片模型，通过施加经验热流作为传热边界条件以及相应的力学边界，利用相关商业有限元软件进行热-力全耦合模拟，从而获得铸坯的凝固收缩应变信息；然后在以同样的方法，对结晶器铜板进行仿真获得其应变信息；最后将铸坯和铜板两种变形量叠加以得到合理的结晶器内腔锥度曲线。此方法主要存在问题是，铸坯二维建模后无法考虑钢液流动行为对其温度分布和坯壳厚度的影响，特别是对于高拉速甚至超高拉速下，将降低最终的仿真结果的可靠性。4)专利cn201310383942.8提出的先依据耦合了金属液、结晶器和水口参数的三维流动和传热凝固模型仿真得到结晶器铜板和凝固坯壳三维温度；再将此温度作为热载荷导入建立的铸坯二维切片模型和铜板三维模型中进行热-力耦合计算获得两者的应变信息；最后将两种应变叠加即为结晶器内腔锥度曲线；此方案虽然弥补了之前未考虑流动行为的缺陷，提升了锥度设计的精度，却仍存在改进空间以使其更接近理想锥度。即该专利在进行结晶器内金属液流动和传热凝固三维模型计算时是假设结晶器具有理想锥度进行的，从而获得了铸坯温度和结晶器铜板温度，但在之后的三维铜板模型热-力耦合计算确定铜板变形时，却并没有考虑此“理想锥度”，而是直接按零锥度处理的，这将导致铜板变形计算结果偏大，进而最终确定的结晶器内腔锥度精度下降。
5、综上所述，目前连铸结晶器内腔锥度的确定方法和现有的方坯连铸结晶器内腔锥度结构设计均存在一定的缺陷和不足之处，未见有在计算铜板/铜管变形时预先考虑锥度已获得更高精度的变形计算结果；未见有考虑水缝结构对铜板/铜管变形量影响。
技术实现思路
1、针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种提高连铸结晶器内腔锥度设计精度的方法，确定的结晶器内腔锥度精度更高，更加接近结晶器内腔的理想锥度，可更有效抑制气隙产生，并有效改善结晶器与钢液之间的传热，从而保证生产的顺行和连铸坯的高表面质量。
2、本专利技术采用的技术方案如下：
3、本专利技术所提出的一种提高连铸结晶器内腔锥度设计精度的方法，包括以下步骤：
4、s1、对结晶器铜板、金属液、冷却水进行三维流动和凝固传热模型的建立及运算进而获得凝固铸坯的三维温度场以及结晶器铜板热面和冷面的热流密度分布；
5、s2、将步骤s1中得到的凝固铸坯温度场作为热载荷加载到所建立的二维热-弹-粘塑性有限元模型中进行热-力耦合仿真获得凝固铸坯的变形量，并将其转化为结晶器内腔锥度曲线i；
6、s3、结合步骤s2中确定的结晶器内腔锥度曲线i，建立具有锥度的三维结晶器铜板热弹性有限元分析模型，并将步骤s1中得到的结晶器铜板热面和冷面的热流密度分布作为传热边界条件，之后对该模型进行热-力全耦合数值仿真，从而获得精度改善后的结晶器铜板变形量；
7、s4、将步骤s2中确定的结晶器凝固铸坯变形量和步骤s3中得到的精度改善后的结晶器铜板变形量在相同位置进行矢量叠加，即可获得精度提高后的结晶器内腔锥度曲线ii。
8、进一步的，所述步骤s1具体包括：参考实际连铸结晶器结构，建立包含金属液、结晶器铜板和冷却水三者耦合的流动和凝固传热数学模型，之后确定相关材料的物性参数和模型仿真的边界条件，并依据此模型数值仿真计算得到凝固铸坯的三维温度场分布以及结晶器铜板热面和冷面的热流密度分布。
9、进一步的，所述步骤s2具体包括：
10、依据步骤s1中计算得到的凝固铸坯三维温度场，将其按距弯月面距离的不同提取二维温度切片，提取的数量n要保证计算的收敛性和精确性，之后将n个温度切片作为热载荷按时间顺序依次加载到建立的凝固铸坯二维热-力耦合切片模型中，模拟铸坯向下运动过程，同时还要在铸坯凝固前沿时间钢水静压力来考虑其对铸坯变形的影响；最后用有限元方法对这一切片进行热-弹-粘塑性仿真计算获得凝固铸坯沿结晶器拉坯方向的收缩变形量，然后用利用下式将其转化为结晶器内腔锥度曲线i；
11、
12、式中，moldtaper为结晶器内腔锥度，％/m；ltop为结晶器上口内腔宽度，m；lbottom为结晶器下口内腔宽度，m；lmold为结晶器长度，m；δtop和δbottom分别为铸本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种提高连铸结晶器内腔锥度设计精度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种提高连铸结晶器内腔锥度设计精度的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：参考实际连铸结晶器结构，建立包含金属液、结晶器铜板和冷却水三者耦合的流动和凝固传热数学模型，之后确定相关材料的物性参数和模型仿真的边界条件，并依据此模型数值仿真计算得到凝固铸坯的三维温度场分布以及结晶器铜板热面和冷面的热流密度分布。
3.根据权利要求1所述的一种提高连铸结晶器内腔锥度设计精度的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
4.根据权利要求1所述的一种提高连铸结晶器内腔锥度设计精度的方法，其特征在于：所述步骤S3中，构建的三维结晶器铜板热弹性有限元模型考虑了凝固铸坯的变形量，即锥度I，因此热力耦合计算能够获得更高精度的结晶器铜板变形量。
5.根据权利要求1所述的一种提高连铸结晶器内腔锥度设计精度的方法，其特征在于：所述步骤S4中，最终确定结晶器内腔锥度时需沿其周向选取特征点，并依次获取各位置沿拉坯方向的锥度曲线，再组合形成高精度连铸结晶器内腔锥
6.根据权利要求5所述的一种提高连铸结晶器内腔锥度设计精度的方法，其特征在于：各间断特征点锥度之间采用线性方式过渡。
...【技术特征摘要】
1.一种提高连铸结晶器内腔锥度设计精度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种提高连铸结晶器内腔锥度设计精度的方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括：参考实际连铸结晶器结构，建立包含金属液、结晶器铜板和冷却水三者耦合的流动和凝固传热数学模型，之后确定相关材料的物性参数和模型仿真的边界条件，并依据此模型数值仿真计算得到凝固铸坯的三维温度场分布以及结晶器铜板热面和冷面的热流密度分布。
3.根据权利要求1所述的一种提高连铸结晶器内腔锥度设计精度的方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括：
4.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐佩，刘华松，张宇，潘栋，张凯伦，张翔宇，
申请(专利权)人：鞍钢集团北京研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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